CN105548966A - 一种双向收发一体化超声测距方法及系统 - Google Patents

一种双向收发一体化超声测距方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种双向收发一体化超声测距方法及系统，能够减少网络流量、降低网络负载和节点功耗。所述方法包括：将网络中各节点的时钟进行同步；处于发送超声波状态的节点向四周360°发送超声波信号，处于接收超声波状态的节点开始计时并接收所述超声波信号，其中，处于发送超声波状态的节点称为发送节点，处于接收超声波状态的节点称为接收节点；对超声波信号在空气中的传播速度进行温度自适应补偿；当接收节点接收到所述超声波信号时，所述接收节点停止计时，并根据停止计时与开始计时之间的时间差及温度自适应补偿后的超声波信号的传播速度，确定发送节点和接收节点之间的距离。本发明适用于无线传感器网络定位技术领域。

Description

一种双向收发一体化超声测距方法及系统
技术领域
本发明涉及无线传感器网络定位技术领域，特别是指一种双向收发一体化超声测距方法及系统。
背景技术
无线传感器网络作为一种新近的信息获取和处理技术，无线传感器网络可以在广泛的应用领域内实现复杂的大规模监测和追踪任务，而网络自身定位是大多数应用的基础。
对于大多数应用,不知道传感器位置而感知的数据是没有意义的。传感器节点必须明确自身位置才能详细说明“在什么位置或区域发生了特定事件”，实现对外部目标的定位和追踪。另一方面，了解传感器节点位置信息还可以提高路由效率，为网络提供命名空间，向部署者报告网络的覆盖质量，实现网络的负载均衡以及网络拓扑的自配置。而人工部署和为所有网络节点安装GPS接收器都会受到成本、功耗、扩展性等问题的限制，甚至在某些场合可能根本无法实现，因此必须采用一定的机制与算法实现无线传感器网络(WirelessSensorNetworks,WSN)的自身定位。
比较普遍的是基于测距技术的定位，其中，常用的方法包括：基于接收端信号强度(RSSI)、基于到达时间(TOA)、基于到达角度(AOA)、基于到达时间差(TDOA)等。
传统的超声测距方法属于TDOA方法，利用射频和超声到达的时间差来计算两个节点之间的距离，在每次测距过程中必须发送一包射频数据，当单位时间内测距次数增加时，会对网络负载造成一定压力，同时也会增加节点功耗，缩短网络的生存周期。且由于发送射频包的时延不仅和网络传输模型有关，还和网络使用的协议和网络节点之间的跳数有关，不能近似忽略发送射频包的时延。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种双向收发一体化超声测距方法及系统，以解决现有技术所存在的传统超声测距方法中频繁发送射频信号导致的网络负载压力大、节点功耗大、生存周期短和时延长的问题。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种双向收发一体化超声测距方法，包括：
将网络中各节点的时钟进行同步；
处于发送超声波状态的节点向四周360°发送超声波信号，处于接收超声波状态的节点开始计时并接收所述超声波信号，其中，处于发送超声波状态的节点称为发送节点，处于接收超声波状态的节点称为接收节点；
根据超声波信号的传播速度与环境温度的关系，对超声波信号在空气中的传播速度进行温度自适应补偿；
当接收节点接收到所述超声波信号时，所述接收节点停止计时，并根据停止计时与开始计时之间的时间差及温度自适应补偿后的超声波信号的传播速度，确定发送节点和接收节点之间的距离。
进一步地，所述处于发送超声波状态的节点向四周360°发送超声波信号，处于接收超声波状态的节点开始计时并接收所述超声波信号之前包括：
在各节点入网时钟同步后，发送超声波信号之前，将时间分割为周期性的超帧，每个超帧包含一组测距时隙，每组测距时隙用于完成一组测距；
在每组测距时隙的开始时刻判断当前时隙类型；
若当前的时隙类型为测距时隙时，则根据预先设定的工作状态表，确定各节点的工作状态；
其中，所述工作状态包括：发送超声波、接收超声波和静默状态，节点之间的测距是根据工作状态表周期性的进行。
进一步地，一个发送节点发送的超声波信号，可以由多个接收节点进行接收；
所述处于发送超声波状态的节点向四周360°发送超声波信号，处于接收超声波状态的节点开始计时并接收所述超声波信号包括：
当确定一节点A的工作状态为发送超声波时，则立即触发该节点A对应的多个超声模块同时向四周360°地发送超声波信号，其中，该节点A称为发送节点；
当确定一节点B的工作状态为接收超声波时，则立即记录该节点B的当前时间T1，并通过节点B对应的多个超声模块接收发送节点发送所述超声波信号，该节点B为接收节点。
进一步地，所述当接收节点接收到所述超声波时，所述接收节点停止计时，并根据停止计时与开始计时之间的时间差及温度自适应补偿后的超声波信号的传播速度，确定发送节点和接收节点之间的距离包括：
若所述接收节点对应的多个超声模块在预设时间内没有收到所述发送节点发送的超声波信号，则所述接收节点不作任何操作，等待下一组测距时隙到来；
若所述接收节点对应的多个超声模块在预设时间内接收到所述发送节点发送的超声波信号，则记录所述接收节点接收到所述超声波信号的时间T2；
根据超声波信号的传播速度与环境温度的关系，对超声波信号在空气中的传播速度进行温度自适应补偿；
根据T2与T1的时间差及温度自适应补偿后的超声波信号的传播速度，确定发送节点和接收节点之间的距离，本次测距过程结束，等待下一组测距时隙到来。
进一步地，在本次测距过程中，处于静默状态的节点不执行操作，等待本组测距时隙结束。
进一步地，每个节点对应8个超声模块；
每个超声模块的探头为收发一体探头或收发分体探头；
发送节点发送的信号为经过脉冲宽度调制过的信号。
进一步地，所述超声测距方法为非反射式测距，所述发送节点发出超声波后，不需要反射，由所述接收节点直接接收所述发送节点发出的超声波信号；
所述时钟同步方式包括：绝对时隙数同步、数据包同步和确认包同步。
本发明实施例还提供一种双向收发一体化超声测距系统，包括：至少2个节点；所述节点包括：处于发送超声波状态的节点、处于接收超声波状态的节点及处于静默状态的节点，每个节点包括：控制器、多个超声模块及为所述控制器、多个超声模块提供电源的电源模块，所述控制器包括：网络时钟同步模块、收发模块、计时模块、温度自适应补偿模块及节点距离确定模块；
其中，处于发送超声波状态的节点称为发送节点，处于接收超声波状态的节点称为接收节点；
所述网络时钟同步模块，用于将对应节点的时钟进行同步；
所述收发模块，用于向对应的多个超声模块发送信号或接收来自对应的多个超声模块的输出信号；
所述计时模块，用于若确定一节点的状态为接收超声波状态时，则该节点对应的计数器开始计时，当该节点接收到发送节点发送的超声波信号时，该节点对应的计数器停止计时；
所述温度自适应补偿模块，用于根据超声波信号的传播速度与环境温度的关系，对超声波信号在空气中的传播速度进行温度自适应补偿；
所述节点距离确定模块，用于根据停止计时与开始计时之间的时间差及温度自适应补偿后的超声波信号的传播速度，确定发送节点和接收节点之间的距离；
所述多个超声模块，用于向四周360°地发送或接收超声波信号。
进一步地，每个节点对应8个超声模块，每个超声模块的探头为收发一体探头或收发分体探头；
所述超声模块包括：发送电路、接收电路与所述发送电路、接收电路相连的探头；
所述发送电路，用于接收所述收发模块发送的信号，并对接收到信号进行差分反相、放大处理，同时通过驱动电路提高电流驱动，并通过并联反相器电路及电容去直流分量电路，再由探头将所述信号转换为超声波信号发送出去，其中，收发模块发送的信号为经过脉冲宽度调制的信号；
所述接收电路，用于将收发一体探头或收发分体探头接收到的信号经过一级放大、二级滤波、三级放大、四级阈值比较和模数转化电路转换后，提取目标信号，并将所述目标信号输出至所述计时模块，激励所述计时模块记录停止时刻；
其中，若超声模块的探头为收发一体探头，则采用阻抗匹配电路将所述发送电路与接收电路并到一路，共同连接至超声模块的收发一体探头。
进一步地，所述控制器还包括：节点工作状态确定模块；
所述节点工作状态确定模块，用于在各节点入网时钟同步后，发送超声波信号之前，将时间分割为周期性的超帧，每个超帧包含一组测距时隙，每组测距时隙用于完成一组测距，在每组测距时隙的开始时刻判断当前时隙类型；
若当前的时隙类型为测距时隙时，则根据预先设定的工作状态表，确定各节点的工作状态，处于发送超声波状态的节点向四周360°发送超声波信号，处于接收超声波状态的节点开始计时并接收所述超声波信号，处于静默状态的节点不执行操作，等待本组测距时隙结束；
其中，所述工作状态包括：发送超声波、接收超声波和静默状态，节点之间的测距是根据工作状态表周期性的进行。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，通过利用无线传感网网络的时钟同步技术，使得网络中所有节点的时间都是同步的，不需要在发送超声波信号的同时发送额外的射频数据包来获得发送节点和接收节点之间的同步，只需根据超声波信号在空气中的传输时间(停止计时与开始计时之间的时间差)及传播速度来确定发送节点和接收节点之间的距离，没有额外开销，从而大幅降低网络中节点功耗，减少网络通信负担，延长网络的工作寿命；且采用的双向收发的方法比传统的自发自收反射测距方法增加了一倍的测距距离，同时降低反射的信号能量衰减带来的误差，同时在测距过程中，还考虑到环境温度对超声波传播速度的影响，对超声波信号在空气中的传播速度进行温度自适应补偿，进一步提高测距精度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的双向收发一体化超声测距方法的方法流程图；
图2为本发明实施例提供的节点硬件结构示意图；
图3为本发明实施例提供的节点工作流程示意图；
图4为本发明实施例提供的超声模块对接收到的超声波信号进行处理时的波形示意图；
图5为本发明实施例提供的两节点间测距方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的传统超声测距方法中频繁发送射频信号导致的网络负载压力大、节点功耗大、生存周期短和时延长的问题，提供一种双向收发一体化超声测距方法及系统。
实施例一
如图1所示，本发明实施例提供的一种双向收发一体化超声测距方法，包括：
S1：将网络中各节点的时钟进行同步；
S2：处于发送超声波状态的节点向四周360°发送超声波信号，处于接收超声波状态的节点开始计时并接收所述超声波信号，其中，处于发送超声波状态的节点称为发送节点，处于接收超声波状态的节点称为接收节点；
S3：根据超声波信号的传播速度与环境温度的关系，对超声波信号在空气中的传播速度进行温度自适应补偿；
S4：当接收节点接收到所述超声波信号时，所述接收节点停止计时，并根据停止计时与开始计时之间的时间差及温度自适应补偿后的超声波信号的传播速度，确定发送节点和接收节点之间的距离。
本发明实施例所述的双向收发一体化超声测距方法，通过利用无线传感网网络的时钟同步技术，使得网络中所有节点的时间都是同步的，不需要在发送超声波信号的同时发送额外的射频数据包来获得发送节点和接收节点之间的同步，只需根据超声波信号在空气中的传输时间(停止计时与开始计时之间的时间差)及传播速度来确定发送节点和接收节点之间的距离，没有额外开销，从而大幅降低网络中节点功耗，减少网络通信负担，延长网络的工作寿命；且采用的双向收发的方法比传统的自发自收反射测距方法增加了一倍的测距距离，同时降低反射的信号能量衰减带来的误差，同时在测距过程中，还考虑到环境温度对超声波传播速度的影响，对超声波信号在空气中的传播速度进行温度自适应补偿，进一步提高测距精度。
本发明实施例中，由于测距中考虑到超声波在不同环境温度下的的传播速度，每个节点预留测温数据接口，用于连接温度传感器，在进行距离计算时，增加温度参数，得到对应环境温度下的超声波的传输速度，从而实现超声波速度的温度自适应，提高测距精度。
本发明实施例中，节点所在网络可以采用时分多址(TDMA)方式进行组网，所述网络的时钟同步方式使用802.15.4E协议标准，该时钟同步方式包括：绝对时隙数(ASN)同步、基于数据包的同步和基于确认包(ACK)的同步，网络中所有节点的时间都是同步的，也就是说，网络中的所有节点互相之间都可以进行测距。
为了更好的理解节点，对节点的结构进行说明，所述节点的硬件结构如图2和图3所示，每个节点包括：控制器、多个超声模块(优选地，超声模块的个数为8个，8个超声模块也称为八发八收超声模块)及为所述控制器、多个超声模块提供电源的电源模块，其中，所述超声模块包括：发送电路、接收电路、接口电路与所述发送电路、接收电路相连的探头，其中，控制器及电源模块集成在节点底板上，该节点底板呈圆形构造，8个超声收发模块均匀分布于该节点底板的圆周边缘，整个节点各个模块通过节点底板进行连接并供电。
本发明实施例中，所述节点底板还包括存储器，该节点底板上的电路具有数据计算、存储、供电等功能；同时还有多层滤波及稳压电路，可实现硬件及软件的双重滤波，能够有效提高信噪比；并提供接口用来连接温度传感器，实现温度自适应补偿功能，减小测距误差，提高测距精度。
本发明实施例中，所述超声模块为收发一体化的超声波信号处理装置，该超声模块无变压电路，具有体积小、成本低、易安装的特点，超声模块的发送电路、接收电路、接口电路可集成在5cm2的三层印制电路板上，并预留了两管脚超声波探头焊盘，探头能够通过预留的两管脚焊接于电路板上，通过探头进行超声波信号的双向收发，其中，超声波探头两管脚由两个反向二极管联通，若两管脚分正负极，则管脚正极连接至所述发送电路的正极输出，管脚负极连接至发送电路的负极输出，接收到的多路超声波信号则合并为一路连接到所述接收电路。该超声模块的轮廓呈扇形，可以八个一组的方式进行360°无缝拼装，实现全方位超声波信号的发送和接收。每个节点的超声模块均为相同构造，不仅能够发送超声波，还能接收超声波，其探头可以为收发一体探头，也可以为收发分体探头，超声模块发送和接收功能由所述超声模块对应的控制器来进行控制。
本发明实施例中，若超声模块的探头为收发一体探头，则采用阻抗匹配电路将所述发送电路与接收电路并到一路，共同连接至超声模块的收发一体探头，并通过超声模块中的滤波电路实现抗干扰和降噪处理，提高信噪比，实现两路信号的独立性，其中，阻抗匹配的电阻由实际计算与调试得出。
本发明实施例中，通过所述接口电路将该超声模块与控制器、电源模块进行连接，具体的，所述接口电路包括：电源输入管脚、接地管脚GND，信号输入IN管脚、信号输出OUT管脚；通过电源输入管脚为超声模块提供电压输入，超声模块通过GND管脚接地，通过IN、OUT管脚进行脉冲信号的输入输出。
本发明实施例中，在八发八收超声模块的信号处理装置中，某一时刻，一个发送节点可对应多个接收节点，实现节点间一对多快速测距，对于邻近探头同时发送超声波所产生的多径效应，可通过增加脉冲宽度调制(PWM)波宽度降低其影响。
本发明实施例中，所述发送电路从输入管脚IN接收到控制器发送的40KHz的PWM波脉冲信号后，通过发送电路对输入的PWM波脉冲信号进行差分处理并增幅，最后经超声模块的探头发送所需幅值和频率的超声波信号并由对侧的探头进行接收。具体的，所述发送电路从信号输入管脚获取由脉冲宽度调制功能生成的40kHz的PWM方波后，首先对输入的PWM波脉冲信号做反相差分处理，再经两个三极管进行电信号放大，然后通过驱动芯片来提高其输出电流的驱动能力，用并联的几组反相器提高电波发送的功率，最后通过电容去直流分量并将反相器输出电压施加在超声波探头上，转换为超声波信号发送出去，其中，去直流分量的电容数值由实际计算与调试得出。
本发明实施例中，所述接收电路将接收到的超声波进行多级放大及滤波处理，产生脉冲信号作为输出。具体的，所述接收电路从超声波模块的探头获取接收到的超声波信号后，依次进行四级信号处理，参见图4所示，其中，第一级和第三级均为放大电路，两者放大倍数相乘可达4000倍以上，中间产生的噪声可由第二级的带通滤波电路有效过滤，第四级通过阈值比较和模数转化提取出40kHz的脉冲信号，最后经输出管脚OUT传送至控制器，激励计数器，记录当前时刻。
本发明实施例中，通过在发送电路和接收电路中增加多级信号放大处理方案并伴随多种有效的滤波措施，增大信号幅度，提高信噪比，使超声波信号的传递距离得到了很大程度的改善，一定程度弥补了超声测距方式距离过近的缺陷，实际使用中可达到15m距离内测距，测距误差可控制在2cm以下。
本发明实施例中，在各节点入网时钟同步后，发送超声波信号之前，将时间分割为周期性的超帧，每个超帧包含一组测距时隙，每组测距时隙用于完成一组测距；每个超帧中是否进行测距，是根据预先设定的工作状态表来决定的，具体的工作过程包括：首先，在每个时隙的开始时刻检测当前时隙的类型，不同类型的时隙拥有不同的功能，若检测到当前的时隙类型为测距时隙时，立即去查询预先设定的工作状态表，确定各节点当前的工作状态，并根据确定的各节点当前的工作状态去执行相应的操作，若查询到节点1的工作状态为发送超声波时，则通过节点1(发送节点)立即触发对应的超声模块向接收节点发送超声波信号；若查询到节点2的工作状态为接收超声波时，则立即记录该节点2的当前时间T1，该节点2为接收发送节点发来的超声波信号的接收节点，如图5所示，其中，所述工作状态包括：发送超声波、接收超声波、静默状态。
本发明实施例中，网络中每个节点均为同质节点，每个节点既可发送超声波，又可接收超声波，某一时刻各节点的工作状态由网络确定，具体的，当各节点入网时钟同步后，根据网络确定各节点的工作状态,其中，所述工作状态包括：发送超声波、接收超声波和静默状态。
本发明实施例中，所述工作状态表指示一组测距过程，节点之间的测距会根据工作状态表周期性的进行，另外，所述工作状态表可以根据需要人为或自动的进行更新，以适应新的条件和环境。
本发明实施例中，一个发送节点发送的超声波信号，可以由多个接收节点进行接收，例如，若某一节点确定为发送节点时，全网的其他节点在这一时刻均可以为接收节点，通过360°八发八收超声模块实现节点间一对多快速测距。
本发明实施例中，所述处于发送超声波状态的节点向四周360°发送超声波信号，处于接收超声波状态的节点开始计时并接收所述超声波信号包括：
当确定一节点A的工作状态为发送超声波时，则立即触发该节点A对应的多个超声模块同时向四周360°地发送超声波信号，其中，该节点A称为发送节点；
当确定一节点B的工作状态为接收超声波时，则立即记录该节点B的当前时间T1，并通过节点B对应的多个超声模块接收发送节点发送所述超声波信号，该节点B为接收节点。
本发明实施例中，所述当接收节点接收到所述超声波时，所述接收节点停止计时，并根据停止计时与开始计时之间的时间差及温度自适应补偿后的超声波信号的传播速度，确定发送节点和接收节点之间的距离包括：
若所述接收节点对应的多个超声模块在预设时间内没有收到所述发送节点发送的超声波信号，则所述接收节点不作任何操作，等待下一组测距时隙到来；若所述接收节点对应的多个超声模块在预设时间内接收到所述发送节点发送的超声波信号，则记录所述接收节点接收到所述超声波信号的时间T2；根据超声波信号的传播速度与环境温度的关系，对超声波信号在空气中的传播速度进行温度自适应补偿；根据T2与T1的时间差及温度自适应补偿后的超声波信号的传播速度，确定发送节点和接收节点之间的距离，本次测距过程结束，等待下一组测距时隙到来。
本发明实施例中，T2与T1的时间差则是超声波在发送节点和接收节点之间的传播时间，再根据温度自适应补偿后的超声波信号的传播速度计算出发送节点和接收节点之间的距离，本次测距过程结束，等待下一组测距时隙到来。这样，利用网络级同步技术测量发送节点和接收节点之间的距离，在测距过程中不需要发送额外的射频数据包，可以减少网络流量，降低节点功耗，并使网络工作更长的时间，提高整个网络的生存周期，这对于一个资源受限的网络有着重大意义。
本发明实施例中，在本次测距过程中，处于静默状态的节点不执行操作，等待本组测距时隙结束。
本发明实施例中，所述超声测距方法为非反射式测距，所述发送节点发出超声波后，不需要反射，由所述接收节点直接接收所述发送节点发出的超声波信号，排除反射信号能量衰减带来的误差，从而大大提高测距精度和测距距离；
本发明实施例中，通过多种技术方案，采用时钟同步技术，双向收发方式，360°全角度一对多八发八收方式，多径效应处理，多级信号放大，硬件软件多重滤波，并增加了温度自适应补偿处理，有效提高了测距精度，减小测距误差，增加测距距离。该装置实际使用中可达到15m距离内测距，测距误差可控制在2cm以下。
实施例二
本发明还提供一种双向收发一体化超声测距系统的具体实施方式，由于本发明提供的双向收发一体化超声测距系统与前述双向收发一体化超声测距方法的具体实施方式相对应，该双向收发一体化超声测距系统可以通过执行上述方法具体实施方式中的流程步骤来实现本发明的目的，因此上述双向收发一体化超声测距方法具体实施方式中的解释说明，也适用于本发明提供的双向收发一体化超声测距系统的具体实施方式，在本发明以下的具体实施方式中将不再赘述。
本发明实施例还提供一种双向收发一体化超声测距系统，包括：至少2个节点；所述节点包括：处于发送超声波状态的节点、处于接收超声波状态的节点及处于静默状态的节点，每个节点包括：控制器、多个超声模块及为所述控制器、多个超声模块提供电源的电源模块，所述控制器包括：网络时钟同步模块、收发模块、计时模块、温度自适应补偿模块及节点距离确定模块；
其中，处于发送超声波状态的节点称为发送节点，处于接收超声波状态的节点称为接收节点；
所述网络时钟同步模块，用于将对应节点的时钟进行同步；
所述收发模块，用于向对应的多个超声模块发送信号或接收来自对应的多个超声模块的输出信号；
所述计时模块，用于若确定一节点的状态为接收超声波状态时，则该节点对应的计数器开始计时，当该节点接收到发送节点发送的超声波信号时，该节点对应的计数器停止计时；
所述温度自适应补偿模块，用于根据超声波信号的传播速度与环境温度的关系，对超声波信号在空气中的传播速度进行温度自适应补偿；
所述节点距离确定模块，用于根据停止计时与开始计时之间的时间差及温度自适应补偿后的超声波信号的传播速度，确定发送节点和接收节点之间的距离；
所述多个超声模块，用于向四周360°地发送或接收超声波信号。
本发明实施例所述的双向收发一体化超声测距系统，通过利用无线传感网网络的时钟同步技术，使得网络中所有节点的时间都是同步的，不需要在发送超声波信号的同时发送额外的射频数据包来获得发送节点和接收节点之间的同步，只需根据超声波信号在空气中的传输时间(停止计时与开始计时之间的时间差)及传播速度来确定发送节点和接收节点之间的距离，没有额外开销，从而大幅降低网络中节点功耗，减少网络通信负担，延长网络的工作寿命；且采用的双向收发的方法比传统的自发自收反射测距方法增加了一倍的测距距离，同时降低反射的信号能量衰减带来的误差，同时在测距过程中，还考虑到环境温度对超声波传播速度的影响，对超声波信号在空气中的传播速度进行温度自适应补偿，进一步提高测距精度。
在前述双向收发一体化超声测距系统的具体实施方式中，进一步地，每个节点对应8个超声模块，每个超声模块的探头为收发一体探头或收发分体探头；
所述超声模块包括：发送电路、接收电路与所述发送电路、接收电路相连的探头；
所述发送电路，用于接收所述收发模块发送的信号，并对接收到信号进行差分反相、放大处理，同时通过驱动电路提高电流驱动，并通过并联反相器电路及电容去直流分量电路，再由探头将所述信号转换为超声波信号发送出去，其中，收发模块发送的信号为经过脉冲宽度调制的信号；
所述接收电路，用于将收发一体探头或收发分体探头接收到的信号经过一级放大、二级滤波、三级放大、四级阈值比较和模数转化电路转换后，提取目标信号，并将所述目标信号输出至所述计时模块，激励所述计时模块记录停止时刻；
其中，若超声模块的探头为收发一体探头，则采用阻抗匹配电路将所述发送电路与接收电路并到一路，共同连接至超声模块的收发一体探头。
在前述双向收发一体化超声测距系统的具体实施方式中，进一步地，所述控制器还包括：节点工作状态确定模块；
所述节点工作状态确定模块，用于在各节点入网时钟同步后，发送超声波信号之前，将时间分割为周期性的超帧，每个超帧包含一组测距时隙，每组测距时隙用于完成一组测距，在每组测距时隙的开始时刻判断当前时隙类型；
若当前的时隙类型为测距时隙时，则根据预先设定的工作状态表，确定各节点的工作状态，处于发送超声波状态的节点向四周360°发送超声波信号，处于接收超声波状态的节点开始计时并接收所述超声波信号，处于静默状态的节点不执行操作，等待本组测距时隙结束；
其中，所述工作状态包括：发送超声波、接收超声波和静默状态，节点之间的测距是根据工作状态表周期性的进行。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种双向收发一体化超声测距方法，其特征在于，包括：
将网络中各节点的时钟进行同步；
处于发送超声波状态的节点向四周360°发送超声波信号，处于接收超声波状态的节点开始计时并接收所述超声波信号，其中，处于发送超声波状态的节点称为发送节点，处于接收超声波状态的节点称为接收节点；
根据超声波信号的传播速度与环境温度的关系，对超声波信号在空气中的传播速度进行温度自适应补偿；
当接收节点接收到所述超声波信号时，所述接收节点停止计时，并根据停止计时与开始计时之间的时间差及温度自适应补偿后的超声波信号的传播速度，确定发送节点和接收节点之间的距离。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述处于发送超声波状态的节点向四周360°发送超声波信号，处于接收超声波状态的节点开始计时并接收所述超声波信号之前包括：
在各节点入网时钟同步后，发送超声波信号之前，将时间分割为周期性的超帧，每个超帧包含一组测距时隙，每组测距时隙用于完成一组测距；
在每组测距时隙的开始时刻判断当前时隙类型；
若当前的时隙类型为测距时隙时，则根据预先设定的工作状态表，确定各节点的工作状态；
其中，所述工作状态包括：发送超声波、接收超声波和静默状态，节点之间的测距是根据工作状态表周期性的进行。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，一个发送节点发送的超声波信号，可以由多个接收节点进行接收；
所述处于发送超声波状态的节点向四周360°发送超声波信号，处于接收超声波状态的节点开始计时并接收所述超声波信号包括：
当确定一节点A的工作状态为发送超声波时，则立即触发该节点A对应的多个超声模块同时向四周360°地发送超声波信号，其中，该节点A称为发送节点；
当确定一节点B的工作状态为接收超声波时，则立即记录该节点B的当前时间T1，并通过节点B对应的多个超声模块接收发送节点发送所述超声波信号，该节点B为接收节点。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述当接收节点接收到所述超声波时，所述接收节点停止计时，并根据停止计时与开始计时之间的时间差及温度自适应补偿后的超声波信号的传播速度，确定发送节点和接收节点之间的距离包括：
若所述接收节点对应的多个超声模块在预设时间内没有收到所述发送节点发送的超声波信号，则所述接收节点不作任何操作，等待下一组测距时隙到来；
若所述接收节点对应的多个超声模块在预设时间内接收到所述发送节点发送的超声波信号，则记录所述接收节点接收到所述超声波信号的时间T2；
根据超声波信号的传播速度与环境温度的关系，对超声波信号在空气中的传播速度进行温度自适应补偿；
根据T2与T1的时间差及温度自适应补偿后的超声波信号的传播速度，确定发送节点和接收节点之间的距离，本次测距过程结束，等待下一组测距时隙到来。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，在本次测距过程中，处于静默状态的节点不执行操作，等待本组测距时隙结束。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，每个节点对应8个超声模块；
每个超声模块的探头为收发一体探头或收发分体探头；
发送节点发送的信号为经过脉冲宽度调制过的信号。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超声测距方法为非反射式测距，所述发送节点发出超声波后，不需要反射，由所述接收节点直接接收所述发送节点发出的超声波信号；
所述时钟同步方式包括：绝对时隙数同步、数据包同步和确认包同步。
8.一种双向收发一体化超声测距系统，其特征在于，包括：至少2个节点；所述节点包括：处于发送超声波状态的节点、处于接收超声波状态的节点及处于静默状态的节点，每个节点包括：控制器、多个超声模块及为所述控制器、多个超声模块提供电源的电源模块，所述控制器包括：网络时钟同步模块、收发模块、计时模块、温度自适应补偿模块及节点距离确定模块；
其中，处于发送超声波状态的节点称为发送节点，处于接收超声波状态的节点称为接收节点；
所述网络时钟同步模块，用于将对应节点的时钟进行同步；
所述收发模块，用于向对应的多个超声模块发送信号或接收来自对应的多个超声模块的输出信号；
所述计时模块，用于若确定一节点的状态为接收超声波状态时，则该节点对应的计数器开始计时，当该节点接收到发送节点发送的超声波信号时，该节点对应的计数器停止计时；
所述温度自适应补偿模块，用于根据超声波信号的传播速度与环境温度的关系，对超声波信号在空气中的传播速度进行温度自适应补偿；
所述节点距离确定模块，用于根据停止计时与开始计时之间的时间差及温度自适应补偿后的超声波信号的传播速度，确定发送节点和接收节点之间的距离；
所述多个超声模块，用于向四周360°地发送或接收超声波信号。
9.根据权利要求8所述的双向收发一体化超声测距系统，其特征在于，每个节点对应8个超声模块，每个超声模块的探头为收发一体探头或收发分体探头；
所述超声模块包括：发送电路、接收电路与所述发送电路、接收电路相连的探头；
所述发送电路，用于接收所述收发模块发送的信号，并对接收到信号进行差分反相、放大处理，同时通过驱动电路提高电流驱动，并通过并联反相器电路及电容去直流分量电路，再由探头将所述信号转换为超声波信号发送出去，其中，收发模块发送的信号为经过脉冲宽度调制的信号；
所述接收电路，用于将收发一体探头或收发分体探头接收到的信号经过一级放大、二级滤波、三级放大、四级阈值比较和模数转化电路转换后，提取目标信号，并将所述目标信号输出至所述计时模块，激励所述计时模块记录停止时刻；
其中，若超声模块的探头为收发一体探头，则采用阻抗匹配电路将所述发送电路与接收电路并到一路，共同连接至超声模块的收发一体探头。
10.根据权利要求8所述的双向收发一体化超声测距系统，其特征在于，所述控制器还包括：节点工作状态确定模块；
所述节点工作状态确定模块，用于在各节点入网时钟同步后，发送超声波信号之前，将时间分割为周期性的超帧，每个超帧包含一组测距时隙，每组测距时隙用于完成一组测距，在每组测距时隙的开始时刻判断当前时隙类型；
若当前的时隙类型为测距时隙时，则根据预先设定的工作状态表，确定各节点的工作状态，处于发送超声波状态的节点向四周360°发送超声波信号，处于接收超声波状态的节点开始计时并接收所述超声波信号，处于静默状态的节点不执行操作，等待本组测距时隙结束；
其中，所述工作状态包括：发送超声波、接收超声波和静默状态，节点之间的测距是根据工作状态表周期性的进行。
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